多体系统Lagrange方程数值算法的研究进展

Lagrange方法是建立多体系统动力学方程的普遍方法之一,其方程的形式为常微分方程组或微分 - 代数方程组,数值计算与数值分析是研究多体系统动力学特性的重要方法.本文简要介绍了多体系统动力学方程的第一、二类Lagrange方程和修正的Lagrange方程的基本形式及这些方程的正则形式,着重介绍了正则方程在数值计算中的特点,就多体系统Lagrange方程的隐式算法、辛算法和多体系统动力学特性的数值分析方法(包括数值仿真、Poincar'e映射和Lyapunov指数的计算方法)的研究现状进行了综述.     

多体系统Lagrange方程数值算法的研究进展

Lagrange方法是建立多体系统动力学方程的普遍方法之一, 其方程的形式为常微分方程组或微分-代数方程组,数值计算与数 值分析是研究多体系统动力学特性的重要方法。本文简要介绍了多 体系统动 力学方程的第一、二类Lagrange方程和修正的Lagrange方 程的基本形式及这些方程的正则形式,着重介绍了正则方程在数值 计算中的特点,就多体系统Lagrange方程的隐式算法、辛算法和多 体系统动力学特性的数值分析方法(包括数值仿真、 Poincarè映射 和Lyapunov指数的计算方法)的研究现状进行了综述。     

非光滑多体系统动力学数值算法的研究进展

非光滑多体系统动力学数值计算方法是多体系统动力学研究的重要内容之一. 本文介绍了近年来含摩擦与碰撞的非光滑多体系统动力学数值算法方面的研究进展. 首先, 讨论了库仑摩擦模型和修正的库仑摩擦模型, 以及具有单边和双边约束的多体系统中法向约束力的特点. 其次, 回顾了基于连续模型和非连续模型的多体系统动力学方程的数值计算方法, 详细介绍了基于互补概念的非光滑多体系统动力学的事件驱动法和时间步进法, 分析比较了相关的数值算法. 最后, 指出了一些需要进一步研究的问题.     

多体系统接触碰撞问题的牛顿-欧拉线性互补方法

基于非光滑动力学方法的多体系统接触碰撞分析是目前多体系统动力学的研究热点.本文采用牛顿-欧拉方法建立多体系统接触、碰撞问题的动力学模型,给出一种牛顿-欧拉型线性互补公式.该建模方法与目前一般采用的拉格朗日建模方法的不同之处是约束条件中除了库仑摩擦、单边约束之外还含有光滑等式约束.在建立系统动力学模型时,首先解除摩擦约束和单边约束得到原系统对应的基本系统.牛顿-欧拉方法采用最大数目坐标建立基本系统的动力学方程,由于坐标不相互独立,因此基本系统中带有等式约束,其数学模型为一组微分代数方程.借助约束雅可比矩阵,在基本系统微分代数方程中添加摩擦接触和单边约束对应的拉氏乘子,就可以得到系统全局运动的具有变拓扑结构特征的动力学方程,再结合非光滑约束互补条件便可构成完备的系统动力学模型.完备的动力学模型由动力学微分方程以及等式约束和不等式约束组成.线性互补公式采用分块矩阵形式进行推导,简化了推导过程.数值计算采用基于线性互补的时间步进算法.时间步进算法是目前流行的非光滑数值算法,其突出特点是可以免去数值积分中繁琐的事件检测过程,而数值积分过程中通过对线性互补问题的求解可以确定系统的触-离状态.通过对典型的曲柄滑块间隙机构进行数值分析,验证本文方法的有效性.     

多体系统动力学方程违约修正的数值计算方法

多体系统动力学方程为微分代数方程,一般将其转化成常微分方程组进行数值计算,在数值积分的过程中约束方程的违约会逐渐增大.本文对具有完整、定常约束的多体系统,在修改的带乘子Lagrange正则形式的方程的基础上,根据Baumgarte提出的违约修正的方法,给出了一种多体系统微分代数方程违约修正法和系统的动力学方程的矩阵表达式.通过对曲柄-滑块机构的数值仿真,计算结果表明本文给出的方法在计算精度和计算效率上好于Baumgarte提出的两种违约修正的方法.     

约束多体系统的基于离散零空间的隐式龙格库塔法

将离散零空间理论应用于多体系统动力学方程的数值计算,可降低多体系统动力学方程的维数。通过给出离散零空间理论与IRK法相结合的一般数学框架,提出了多体系统动力学的基于离散零空间理论的IRK法。数值算例表明：该算法可获得较满意的数值结果,约束违约程度很小,三种积分算法算例的范数均在10^-16之内。     

带约束平面多刚体系统动力学方程的隐式算法

在多体系统动力学正则方程的基础上建立了平面多体系统正则方程的隐式数值算法。利用平面运动的特性，对正则方程进行了简化，导出了该方程的Ｊａｃｏｂｉ矩阵的一般表达式，给出了Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔａ多体系统动力学方程隐式数值计算方法。算例表明，该方法是一种计算速度和精度均理想的数值方法。     

多体系统摩擦接触问题的DAE-LCP方法

当多体系统的约束全部是摩擦接触时, 其动力学问题可归结为一个常微分方程(ordinarydifferential equation, ODE)与线性互补问题(linear complementarityproblem, LCP)的混合动力学问题. 如果除了摩擦接触之外还增加了光滑的双边约束, 则需要将ODE-LCP混合动力学模型推广为微分代数方程(differential algebra equation, DAE)与LCP的混合动力学模型. 该文采用DAE与LCP混合动力学方法求解不考虑碰撞但同时含有持续摩擦接触及光滑等式约束的多体系统动力学问题. 在建立系统动力学模型时,首先将含摩擦的约束从系统中移去得到基本动力学系统. 由于基本系统中带有等式约束, 所以基本系统的动力学方程为一组DAE. 结合基本系统的DAE与约束的互补条件便可以得到DAE-LCP混合动力学模型. 数值计算采用基于DAE与LCP的步进(time-stepping)算法, 将系统动力学方程及其约束离散化并转化为一个混合LCP进行求解. 该算法无需进行滞-滑状态检测, 避免了事件检测导致的繁复计算. 利用所提方法对典型机构的非光滑非线性特征进行了数值分析,验证了该文方法的正确有效性.      

多体动系统动力学方程在流形上的辛算法

多体系统动力学方程的数值方法一直是数学与力学家们的热门研 究课题.特别是多体系统动力学微分/代数方程组形式的数学模型，是所 谓的指标-3问题，它的求解是一个难题.目前流行的关于它的数值方法都 有不尽人意的地方，主要是对出现的所谓的违约问题和刚性问题未很好地 解决.多体系统动力学方程在流形上的辛算法是近几年出现的新的数值方 法，它将闭环型多体系统动力学的方程的约束部分和常微分方程部分利 用所谓的辛方法同时进行处理，其中的一些方法已证明是有效的，所以， 用它求解多体系统动力学方程前景看好.本文介绍了这些新的理论，并提 出了一些有待解决的问题.     

多体动力学的几何积分方法研究进展

动力系统的几何积分研究是近20年来工程计算领域非常活跃的方向.多体动力学方程(微分方程, 微分代数方程)是一类典型的动力系统,将其从Lagrange体系向Hamilton系统过渡,目的在于从欧氏几何过渡到辛几何形态, 将对偶变量引入到力学研究中,然后利用辛几何的数学框架对多体系统动力学方程进行数值计算,可以预知多体动力学系统的一些定性信息,并在数值离散时能保持这些定性性质特征,尤其在表示关键的物理意义时需要强调保持这些几何性质.简要介绍多体系统(无约束多刚体系统、完整约束多刚体系统和柔性多体系统)的Hamilton正则方程的建立和几何积分方法的构造,着重介绍了在多体动力学计算中非常有应用前景的高阶辛算法(合成辛算法、分裂合成辛算法和辛精细积分法)、多辛算法,以及广义Hamilton 系统与Lie 群积分方法等计算几何力学方法, 并对Lie群积分的投影方法、流形局部坐标法等方法进行了阐述.      

含随机参数的多体系统动力学分析

基于Lagrange方程建立了含随机参数的多体系统的动力学 模型,利用广义坐标分离法将随机微分代数方程转化为随机纯微分方程,利用Newmark法进行数值解算. 应用随机因子法求解系 统随机响应的数字特征,获得统计意义下的解. 以旋转杆滑块系统为例,考虑系统中载荷、物理和几何参数的随机性,通过与Monte Carlo法结果的对比验证了文中方法的正确性和有效性. 计算结果表明,部分随机参数的分散性对多体系统动力响应的影响不可忽略,利用随机参数的动力学模型将能客观地反映出系统的动力学行为.     

多体系统动力学动态最优化设计与灵敏度分析

基于多体系统的动态最优化设计过程包括传统的多体系统仿真分析、系统设计灵敏度分析、 系统最优化设计等过程, 针对多体系统运动学、用二阶常微分方程和微分代数方程描述 的动力学,基于含设计参数的通用数学模型及通用的积分型目标函数,采用高效的系统灵 敏度分析伴随变量方法及易于实施的惩罚函数最优设计方法,建立了多体系统最优设计数学 模型和算法. 通过双摆系统、曲柄-滑块系统、弹簧/阻尼器-滑块系统3个算例对上述 算法的有效性进行了验证.     

Simulation of friction and stiction in multibody dynamics model problems

A continuous model of Coulomb friction is used with a tangent space formulation of differential algebraic equations of motion for simulation of multibody dynamic model problems. Characteristics of the model problems studied are similar to those encountered in broad classes of multibody systems, without the associated geometric and analytical complexities. An implicit trapezoidal numerical solution algorithm is used to simulate dynamic response that includes the onset of stiction, its progression, and its termination, avoiding stiff behavior that is reported in the literature when index 3 formulations are used. Analytical criteria for stiction are derived for a three mass Coulomb friction model problem that defines the onset of and departure from stiction events with redundant equations of constraint. The tangent space formulation with implicit trapezoidal integration is applied to this analytical model to compute dynamic response, determine ranges of constraint forces that may occur during periods of stiction, and demonstrate that dynamic response is a discontinuous function of model parameters when stiction occurs. Accuracy of the continuous model of Coulomb friction is established, through comparison of results with those of the analytical model. Cartesian coordinate models of higher dimension are presented for three and four mass model problems that encounter a higher degree of redundancy in constraints during periods of stiction. Simulation of the Cartesian coordinate models, which have characteristics similar to more general multibody systems, yields accurate solutions, without any indication of stiffness in the tangent space equations of motion. Methods successfully demonstrated in model problems provide a foundation for simulation of spatial multibody dynamic systems with friction.     

Model reduction for constrained mechanical systems via spectral submanifolds

Nonlinear Dynamics - Dynamical systems are often subject to algebraic constraints in conjunction with their governing ordinary differential equations. In particular, multibody systems are commonly...     

刚柔耦合约束多体系统的动力分析

本文提出了描述柔性多体系统的牵连坐标系统。该系统由惯性参考系,牵连坐标系,物体坐标系及单元坐标系组成,实现了对刚体平动,刚体转动及弹性运动的连续分解,最大限度地消除了由于刚体大角度转动导致的非线性特性。以有限元法为基础,应用拉格朗日方程建立了在该坐标下的刚柔耦合约束多体系统的动力学控制方程。该方程具有耦合程度小、易于推导、编程及求解等优点,为大规模约束多体系统的动力分析提供了新的途径。本文还讨论了平面铰链约束的约束形式及约束方程,最后给出了一个典型多体系统的数值算例。     

A linear complementarity model for multibody systems with frictional unilateral and bilateral constraints

The Lagrange-I equations and measure differential equations for multibody systems with unilateral and bilateral constraints are constructed.For bilateral constraints,frictional forces and their impulses contain the products of the filled-in relay function induced by Coulomb friction and the absolute values of normal constraint reactions.With the time-stepping impulse-velocity scheme,the measure differential equations are discretized.The equations of horizontal linear complementarity problems(HLCPs),which are used to compute the impulses,are constructed by decomposing the absolute function and the filled-in relay function.These HLCP equations degenerate into equations of LCPs for frictional unilateral constraints,or HLCPs for frictional bilateral constraints.Finally,a numerical simulation for multibody systems with both unilateral and bilateral constraints is presented.     

多柔体系统数值分析的模型降噪方法

多柔体系统的动力学方程通常是一组刚性微分方程, 目前普遍采用的刚性微分方程数值解法主要通过数值阻尼滤除系统响应中的高频分量, 其求解效率难以令人满意. 为了降低多柔体系统动力学方程的刚性, 从而可采用ODE45等常规微分方程求解器进行求解, 研究了在建模过程中滤除高频振荡分量的方法. 在以当前时刻为起点的短时间内对柔性体的应力进行均匀化, 用均匀化后的应力计算柔性体的变形虚功率, 由此得到的系统动力学方程的解中不含过高频率的弹性振动, 并且可以通过调节均匀化时间区间的长度参数控制滤波的范围. 数值算例表明: 这种模型降噪方法的计算效率和精度均不低于刚性微分方程求解器, 并且在刚性微分方程求解器失效的情况下模型降噪方法仍有良好的精度和效率. 本文所提的模型降噪方法可成为求解多柔体系统动力学方程的新途径.      

多体系统动力学设计灵敏度分析直接微分法

针对受完整约束的多体系统动力学微分／代数方程数学模型动态最优化设计问题，建立了通用的目标函数和约束方程，并以此为基础，用直接微分方法系统地推导出了计算设计灵敏度的通用公式，最后通过平面机械臂模型对理论结果和相应算法进行了验证．